KR20220024447A - System and method for detecting deformation of magnetic material and method for manufacturing the same - Google Patents

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테스 헬레브레커스
카멜 마지디
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카네기 멜론 유니버시티
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Abstract

무작위로 분포된 자성 미립자를 포함하는 연성 재료와 연속적인 영역에 걸쳐 힘을 추정하고 접촉을 국소화할 수 있는 자력계로 구성된 연자성 센서에 관한 것이다. 기준 자력계는 움직임과 주변 잡음을 필터링하는 데 사용될 수 있다. 접촉 위치를 국소화하고 힘을 결정하는 방법은 자력계 출력의 데이터 분석을 포함한다. 일부 실시예에서는, 센서는 접촉 전에 물체를 국소화할 수 있다.A soft magnetic sensor comprising a soft material comprising randomly distributed magnetic particles and a magnetometer capable of estimating a force and localizing contact over a continuous region. A reference magnetometer can be used to filter out motion and ambient noise. Methods for localizing the contact location and determining the force include data analysis of the magnetometer output. In some embodiments, the sensor may localize the object prior to contact.

Description

자성 재료의 변형을 감지하기 위한 시스템 및 방법과 그 제조 방법System and method for detecting deformation of magnetic material and method for manufacturing the same

관련 출원에 대한 상호 참조CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

이 출원은 2019년 6월 21일에 출원된 가출원 일련번호 62/864,766의 35 U.S.C. §119에 따른 이익을 주장하며, 이는 여기에 참조로 포함된다.This application is filed on June 21, 2019 in 35 U.S.C. Provisional Application Serial No. 62/864,766. Claims under § 119, which is incorporated herein by reference.

연방 후원 연구에 관한 성명서STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH

이 발명은 해군 연구실에서 수여한 N00014-16-1-2301에 따라 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.This invention was made with government support under N00014-16-1-2301 awarded by the Naval Research Laboratory. The government has certain rights to inventions.

발명의 분야field of invention

본 개시의 기술은 일반적으로 감지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 환경에 대한 피드백을 제공하기 위해 자성 재료의 변형을 이용하는 연성 감지(soft sensing)에 관한 것이다.The techniques of this disclosure relate generally to sensing. More particularly, the present invention relates to soft sensing that utilizes deformation of a magnetic material to provide feedback to the environment.

웨어러블 기술, 소프트 로보틱스 및 인간-로봇 상호 작용의 지속적인 개발로 센서에 대한 관심이 증가했다. 이러한 기술을 이용하면 물체의 위치를 결정하는 데 있어서의 부정확성이 특정 기능을 실행하는 능력에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 로봇 시스템의 경우, 부정확성은 로봇이 공구 또는 다른 물체의 위치를 찾아내어 조작하는 것을 막을 수 있다. 시력(vision) 기반의 감지는 작업장에서 물체를 찾는 데 탁월하지만 목표 물체로부터 1∼2cm 이내의 거리에서는 안내를 제공할 수 없다. 게다가, 카메라가 가려져 있거나 표면이 반사 또는 투명하면 시력 기반 시스템은 제대로 작동하지 않는다.The continued development of wearable technologies, soft robotics, and human-robot interactions has led to increased interest in sensors. With these techniques, inaccuracies in determining the position of objects can affect their ability to perform certain functions. In the case of robotic systems, for example, inaccuracies can prevent the robot from locating and manipulating tools or other objects. Vision-based sensing is excellent for locating objects in the workplace, but cannot provide guidance within a distance of 1 to 2 cm from a target object. Moreover, if the camera is obscured or the surface is reflective or transparent, the vision-based system will not work properly.

시력 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해, 촉각 센서가 접촉력을 측정하여 환경에 대한 중요한 정보를 제공한다. 촉각 센서는 터치에 기초를 두고 있기 때문에, 물체가 접촉된 후에만 정보를 제공하고 목표 물체에 대한 접근을 돕지는 않는다. 연성 촉각 센서는 상호 작용 표면에서 변형 가능하면서 유연한 재료를 사용하는 촉각 센서의 서브 클래스이다. 연성 센서는 풍부한 환경 정보를 제공할 뿐만 아니라 성공적인 로봇 조작, 인간-로봇 상호 작용 및 재료 분류를 가능하게 하는 효과적인 기계적 특성에 기여한다. 연성 촉각 센서는 광학, 저항성 및 용량성 등과 같은 다양한 변환 모드를 사용할 수 있다. 연성 촉각 센서는 시력 기반 센서보다 더 높은 정밀도를 제공할 수 있지만 확장 불가능한 제조 기술, 사용자 정의 부족 및 복잡한 통합 요구 사항으로 인해 연성 센서의 광범위한 구현이 여전히 제한적이다. 예를 들어, 저항성 또는 용량성 연성 센서의 경우, 각 유닛의 증가된 밀도는 배선의 관리할 수 없는 확장 및 약한 연성 전기 인터페이스에서의 오류와 연결된다. 게다가, 다른 촉각 센서와 마찬가지로 연성 촉각 센서는 물체가 접촉된 후에만 정보를 제공한다.To overcome the limitations of vision-based systems, tactile sensors measure contact force and provide important information about the environment. Because tactile sensors are touch-based, they provide information only after an object has been touched and do not aid in access to the target object. Soft tactile sensors are a subclass of tactile sensors that use deformable yet flexible materials on an interactive surface. Soft sensors not only provide rich environmental information, but also contribute to effective mechanical properties that enable successful robot manipulation, human-robot interactions, and material sorting. Soft tactile sensors can use different conversion modes such as optical, resistive and capacitive. Although flexible tactile sensors can provide higher precision than sight-based sensors, non-scalable manufacturing techniques, lack of customization, and complex integration requirements still limit widespread implementation of flexible sensors. In the case of resistive or capacitive flexible sensors, for example, the increased density of each unit is associated with unmanageable expansion of wiring and errors at weakly flexible electrical interfaces. Moreover, like other tactile sensors, soft tactile sensors only provide information after an object has been touched.

자기 감지는 직접 전기 배선에 대한 의존도가 제한적이기 때문에 이러한 여러 장애물을 극복하지만 자속 또는 전자기 유도의 변화를 측정하여 고해상도, 고속 감지를 제공한다. 게다가, 일부 응용에서는 자기 감지가 접촉 전에 센서 출력을 제공할 수 있다. 다른 유형의 센서에 비해 이러한 개선에도 불구하고, 자기 센서는 환경적 자기 노이즈에 취약하다. 또한, 연성 센서로 구현될 때, 강성 자석과 센서에 사용되는 연성 엘라스토머 사이의 접합부에서 재료 결함이 발생할 수 있으므로, 기술을 비연성 감지 응용으로 제한한다. 예를 들어, 일반적인 자기 센서는 홀 효과 감지 칩과 두 개의 엘라스토머 층 사이에 매달린 개별 영구 자석을 결합한다. 따라서, 단일 점 접촉 국소화(single-point contact localization)를 위한 촉각 표면을 제공하고 자유 공간에서 신속한 국소화 및 힘 추정을 제공하기 위해 이러한 한계를 극복하는 감지 시스템을 개발하는 것이 유리할 것이다.Magnetic sensing overcomes many of these obstacles because of its limited reliance on direct electrical wiring, but provides high-resolution, high-speed sensing by measuring changes in magnetic flux or electromagnetic induction. Furthermore, in some applications magnetic sensing may provide sensor output prior to contact. Despite these improvements over other types of sensors, magnetic sensors are susceptible to environmental magnetic noise. Additionally, when implemented as a flexible sensor, material defects may occur at the junction between the rigid magnet and the flexible elastomer used in the sensor, limiting the technique to non-ductile sensing applications. For example, a typical magnetic sensor combines a Hall effect sensing chip and individual permanent magnets suspended between two layers of elastomeric. Therefore, it would be advantageous to develop a sensing system that overcomes these limitations to provide a tactile surface for single-point contact localization and to provide rapid localization and force estimation in free space.

상세한 설명에서 개시되는 태양은 연성 센서, 자성 재료(자성체)의 변형을 감지하는 방법 및 그 제조 방법을 포함한다. 관련 방법 및 시스템도 개시된다.Aspects disclosed in the detailed description include a flexible sensor, a method for sensing deformation of a magnetic material (magnetic body), and a method for manufacturing the same. Related methods and systems are also disclosed.

적어도 하나의 비제한적인 실시예는, 무작위로 분포된 자기 미립자를 함유하는 연질 재료 및 연속 영역에 걸쳐 힘을 추정하고 접촉을 국소화할 수 있는 자력계를 포함하는 연자성 센서이다. 하나의 예에서, 센서는 대략 15∼40 ㎟의 연속 영역을 덮는다. 여기에서 논의된 일부 실시예에서, 힘 및 국소적 접촉은 자력계로부터의 출력의 데이터 분석을 위한 집적 회로를 이용하여 추정된다. 일부 실시예에서, 자성 재료, 또는 '스킨(skin)'은 자성 미립자로 로딩된 실리콘 엘라스토머로 구성된다. 엘라스토머가 변형되면, 내장된 자성 입자의 일부가 자력계에 대한 위치 및/또는 방향을 변경하여 순 측정 자기장에 변화를 일으킬 수 있다. 일 실시예에서, 자력계는 통합된 센서를 형성하기 위해 자성 재료에 내장될 수 있다. 변형 실시예에서, 자성 재료와 자력계는 별개이다. 자력계에 의해 수신된 자기장 데이터는 힘 및 접촉 국소화에 유용한 정보를 제공하기 위해 분석된다. 자력계의 출력을 분석하는 분류 알고리즘은 >98%의 정확도로 압력을 국소화할 수 있다. 일부 실시예에서, 회귀 알고리즘은 평균적으로 대략 3 ㎟ 면적으로 압력을 국소화할 수 있다. 이와 관련하여, 감지 스킨과 같은 자성 재료의 변형을 감지하기 위한 시스템 및 방법은 로봇 조작, 연성 시스템 및 웨어러블과 같은 분야에서 사용하기 위해 간단하게 제작되고, 신속하게 통합되며, 정보가 풍부한 센서에 대한 증가하는 필요성을 해결할 수 있다.At least one non-limiting embodiment is a soft magnetic sensor comprising a soft material containing randomly distributed magnetic particles and a magnetometer capable of estimating force and localizing contact over a continuous region. In one example, the sensor covers a continuous area of approximately 15-40 mm 2 . In some embodiments discussed herein, the force and local contact are estimated using an integrated circuit for data analysis of the output from the magnetometer. In some embodiments, the magnetic material, or 'skin', consists of a silicone elastomer loaded with magnetic particulates. As the elastomer deforms, some of the embedded magnetic particles may change position and/or orientation with respect to the magnetometer, resulting in a change in the net measured magnetic field. In one embodiment, the magnetometer may be embedded in a magnetic material to form an integrated sensor. In a variant embodiment, the magnetic material and the magnetometer are separate. The magnetic field data received by the magnetometer is analyzed to provide useful information on force and contact localization. A classification algorithm that analyzes the output of the magnetometer is able to localize the pressure with an accuracy of >98%. In some embodiments, the regression algorithm averages approximately 3 mm2 Pressure can be localized by area. In this regard, systems and methods for sensing deformation of magnetic materials, such as sensing skins, are designed for simple, rapidly integrated, and information-rich sensors for use in fields such as robotic manipulation, flexible systems, and wearables. can address the growing need.

도 1a 내지 도 1e는 센서의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 1f는 데이터 처리 단계의 개요이다.
도 2a 내지 도 2f는 감지 실증의 결과를 도시하는 일련의 그래프이다.
도 3a∼도 3g는 대안적 감지 실증의 결과를 도시하는 일련의 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 몇몇 변형 실시예에 따른 센서의 예이다.
도 5는 분류 및 회귀 결과를 나타내는 일련의 그래프이다.
도 6은 로봇 팔에 대한 예시적인 구현을 위한 X 및 Y 벡터를 나타낸다.
도 7은 자성 재료의 압입을 위해 시각화된 벡터이다.
도 8은 제조 기술을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 자성 재료로부터 분리된 자력계를 갖는 센서의 변형 실시예이다.
도 10은 다른 변형 실시예를 나타낸다.
1A-1E illustrate various embodiments of a sensor.
Fig. 1f is an overview of data processing steps.
2A to 2F are a series of graphs illustrating the results of sensing demonstration.
3A-3G are a series of graphs illustrating the results of alternative sensing demonstrations.
4A-4C are examples of sensors according to some variant embodiments.
5 is a series of graphs showing classification and regression results.
6 shows X and Y vectors for an example implementation for a robotic arm.
7 is a visualized vector for indentation of magnetic material.
8 is a flowchart illustrating a manufacturing technique.
9 is a variant embodiment of a sensor having a magnetometer separated from a magnetic material.
10 shows another modified embodiment.

하나의 예시적인 실시예에서, 센서(100)는 자성 재료(101) 및 이 재료(100)의 변형에 의해 생성된 자성 재료(101)의 자기장의 변화를 감지할 수 있는 자력계(102)를 포함한다. 도 1a∼도 1b에 나타낸 예시적인 실시예에서, 센서(100)는 자성 미립자(104)의 분산에 의해 매립된 연성 엘라스토머(103)로 덮인 고정된 신축 가능한 3축 자력계(102)를 가진 촉각 스킨으로 구현됨으로써, 자성 재료(101)를 형성한다. 복합 자성 재료(101)는 호스트 엘라스토머(103)의 신축성 및 유연성을 유지하고 신축 가능한 회로와 호환 가능하다. 변형 실시예에서는, 다수의 자력계(102)가 사용될 수도 있다(도 1c 내지 도 1d 참조). 센서(100)의 표면에 변형이 가해짐에 따라, 자성 미립자(104)는 자력계(102)의 상대적으로 정적인 위치에 대해 변위된다(도 1e 참조). 자력계(102)는 주변 자기장의 변화를 측정하고 접촉의 위치와 힘을 결정하기 위해 이 데이터를 분석한다. 자력계(102)는 x-, y-, 및 z-방향으로 그 주변의 자기장을 측정한다. 자성 재료(101)에 걸쳐 분포된 복수의 자성 미립자(104)는 재료(101)의 변형에 관한 정보를 보존하기 위해 3축 자기장 측정으로 궁극적으로 감소되는 입력 데이터를 나타낸다. 형태론적 계산은 재료(101) 자체의 고유한 치수 감소를 통해 활용될 수도 있다. 예를 들어, 센서(100)는 형태론적 계산 특성을 활용하여 분석 전에 출력의 치수를 본질적으로 감소시킬 수 있으며, 그에 따라 기본 마이크로전자 칩 및 배선의 조밀한 어레이에 대한 필요성을 제거할 수 있다.In one exemplary embodiment, the sensor 100 includes a magnetic material 101 and a magnetometer 102 capable of sensing changes in the magnetic field of the magnetic material 101 produced by deformation of the material 100 . do. 1A-1B , the sensor 100 has a tactile skin with a fixed telescoping triaxial magnetometer 102 covered with a soft elastomer 103 embedded by dispersion of magnetic particles 104 . By being implemented as, the magnetic material 101 is formed. The composite magnetic material 101 maintains the stretch and flexibility of the host elastomer 103 and is compatible with the stretchable circuitry. In alternative embodiments, multiple magnetometers 102 may be used (see FIGS. 1C-1D ). As a strain is applied to the surface of the sensor 100 , the magnetic particles 104 are displaced with respect to the relatively static position of the magnetometer 102 (see FIG. 1E ). The magnetometer 102 measures changes in the surrounding magnetic field and analyzes this data to determine the location and force of the contact. Magnetometer 102 measures the magnetic field around it in the x-, y-, and z-directions. The plurality of magnetic particles 104 distributed throughout the magnetic material 101 exhibits input data that is ultimately reduced with a triaxial magnetic field measurement in order to preserve information regarding the deformation of the material 101 . Morphological calculations may also be utilized through reduction of the inherent dimensions of the material 101 itself. For example, sensor 100 may utilize morphological computational properties to essentially reduce the dimensions of the output prior to analysis, thus eliminating the need for a dense array of basic microelectronic chips and wiring.

이산적인 영구 자석 또는 다른 통상적인 자석과 대조적으로, 자성 재료(101)의 전체 자기 강도는 더 작다. 그러나, 신호 크기는 접촉을 국소화하고 센서(100)의 표면에 대한 힘을 추정하기에 충분하다. 또한, 미립자(104)를 엘라스토머(103)에 통합하면, 형상, 크기 또는 두께에 대한 제한이 거의 없는 센서(100)를 가능하게 한다. 일부 자기 센서와 달리 다층 성형 프로세스가 필요하지 않아 제작도 간편하다.In contrast to discrete permanent magnets or other conventional magnets, the overall magnetic strength of the magnetic material 101 is smaller. However, the signal magnitude is sufficient to localize the contact and estimate the force on the surface of the sensor 100 . Incorporation of particulate 104 into elastomer 103 also allows for sensor 100 with few restrictions on shape, size or thickness. Unlike some magnetic sensors, it does not require a multi-layer molding process, making it easy to manufacture.

다시 도 1c 내지 도 1d를 참조하면, 하나의 자력계(102)가 기준 자력계(105)로 식별되는 다수의 자력계(102)를 가진 센서(100)가 도시되어 있다. 도 1c 내지 도 1d에 도시된 실시예에서는, 5개의 자력계(102)가 자성 재료(101)에 인접하게 위치되어 있는바, 기준 자력계(105)가 자성 재료(101)로부터 일정한 거리에 위치되어 있다. 이 특정 예에서, 5개의 자력계(102)는 자성 재료(101)의 신호가 더 이상 가장 가까운 자력계(102)에 의해 검출될 수 없게 되기 전의 범위인 15mm 간격으로 배치된다. 각각의 15mm 범위는 함수 표면적을 최대화하고 자력계(102)의 필요한 수를 최소화하기 위해 다른 자력계의 범위와 2.5mm 만큼 중첩된다. 기준 자력계(105)는 자성 재료(101)와 구별되는 자기 신호(즉, 주변 자기 노이즈)를 측정하기 위한 기준으로 사용된다. 다수의 자력계(102) 및 별도의 기준 자력계(105)에 의해, 센서(100)는 주변 자기 노이즈 및 모션을 필터링할 수 있고 시스템의 증가된 비선형성을 처리하기 위해 출력의 데이터 분석을 통합할 수 있다. 달리 말하면, 메인 자력계(102)와 결합된 기준 자력계(105)로부터의 신호는 자성 재료(101)의 변형으로 인한 자속의 변화를 분리한다. 자속 신호는 힘 및 위치의 실시간 추정을 제공하도록 평가된다.Referring again to FIGS. 1C - 1D , a sensor 100 is shown having a plurality of magnetometers 102 , one magnetometer 102 being identified as a reference magnetometer 105 . In the embodiment shown in FIGS. 1C-1D , five magnetometers 102 are positioned adjacent to the magnetic material 101 , with a reference magnetometer 105 positioned at a constant distance from the magnetic material 101 . . In this particular example, five magnetometers 102 are spaced 15 mm apart, a range before the signal of magnetic material 101 can no longer be detected by the nearest magnetometer 102 . Each 15 mm range overlaps the other magnetometer ranges by 2.5 mm to maximize the functional surface area and minimize the required number of magnetometers 102 . The reference magnetometer 105 is used as a reference for measuring a magnetic signal distinct from the magnetic material 101 (ie, ambient magnetic noise). With multiple magnetometers 102 and a separate reference magnetometer 105, sensor 100 can filter out ambient magnetic noise and motion and incorporate data analysis of the output to address the increased nonlinearity of the system. there is. In other words, the signal from the reference magnetometer 105 coupled with the main magnetometer 102 isolates the change in magnetic flux due to deformation of the magnetic material 101 . The magnetic flux signal is evaluated to provide a real-time estimate of force and position.

도 1c 내지 도 1d에 도시된 예시적인 실시예에서, 신호는 센서(100) 상의 접촉의 위치 및 힘의 추정을 제공하기 위해 훈련된 신경망에 의해 평가될 수 있다. 도 1f는 접촉 국소화(contact localization) 및 힘 추정을 위한 전처리 단계의 개요이다. 이러한 전처리 단계에서, 원시 자력계 값은 개별적으로 교정되고, 참조 신호로부터 변환되며, 필터링되고, 신경망 입력을 위해 규모가 조정된다.1C-1D , the signal may be evaluated by a trained neural network to provide an estimate of the force and position of the contact on the sensor 100 . Figure 1f is an overview of the preprocessing steps for contact localization and force estimation. In this preprocessing step, the raw magnetometer values are individually calibrated, transformed from the reference signal, filtered, and scaled for neural network input.

더 상세한 설명을 통해, 일 실시예에서, 신호 처리는 원시 자력계 데이터로 제한된 신경망 입력을 유지하면서 필요한 데이터 수집량을 최소화하기 위해 교정과 전처리를 결합한다. 각각의 자력계(102)는 그 주변 자기장에 관하여 3개의 축 데이터를 출력한다. 도 1∼도 2에 나타낸 실시예의 경우, 각 샘플에 대한 총 18개의 데이터 점에 대해 6개의 자력계(102, 105)가 존재한다. (오프셋 및 규모 조정(scaling)을 제공하는) 사전 교정된 자력계(102, 105)의 경우, 이들 파라미터는 신호를 개별적으로 교정하기 위해 원시 데이터에 적용될 수 있다. 오프셋은 각 방향의 최대 신호와 최소 신호 사이의 평균에 의해 결정될 수 있다. 규모 조정은 모두 3개의 평균 현 거리를 각 방향의 평균 현 길이로 나눔으로써 결정될 수 있다. 다음으로, 기준 자력계(105)의 아핀 변환이 5개의 자력계(102)에 적용된다. 기준 자력계(105)가 다른 자력계(102)에 대해 고정된 상태로 유지되면, 이 변환은 위치 및 환경 노이즈로 인한 모션 및 주변 노이즈 제거를 허용한다. 노이즈 제거는 데이터 수집이 한 평면에서 발생하도록 한다. 데이터가 교정되고 필터링되면 평균을 제거하고 훈련 데이터로부터 결정된 단위 분산으로 규모가 조정됨으로써 신경망 입력을 위한 데이터가 준비된다. 이 시스템은 유용한 정보를 제공하지만 다수의 자력계(102, 105) 시스템에 존재하는 추가적인 노이즈에 취약할 수 있다. 이와 같이, 다중 선형 회귀(MLPRegressor)를 익히면서 구현된 다층 퍼셉트론(multi-layer perceptron)이 사용될 수 있다.More detailed description, in one embodiment, signal processing combines preprocessing with calibration to minimize the amount of data collection required while maintaining neural network input limited to raw magnetometer data. Each magnetometer 102 outputs three-axis data with respect to its surrounding magnetic field. For the embodiment shown in Figures 1-2, there are six magnetometers 102, 105 for a total of 18 data points for each sample. For pre-calibrated magnetometers 102 , 105 (providing offset and scaling), these parameters can be applied to the raw data to calibrate the signal individually. The offset may be determined by an average between the maximum and minimum signals in each direction. Scaling can be determined by dividing the average chord distance of all three by the average chord length in each direction. Next, the affine transformation of the reference magnetometer 105 is applied to the five magnetometers 102 . As long as the reference magnetometer 105 remains fixed relative to the other magnetometers 102 , this transformation allows for motion and ambient noise cancellation due to positional and environmental noise. Denoising allows data acquisition to occur in one plane. Once the data has been calibrated and filtered, the data is prepared for input to the neural network by removing the mean and scaling to the unit variance determined from the training data. Although this system provides useful information, it can be susceptible to the additional noise present in many magnetometer 102, 105 systems. In this way, a multi-layer perceptron implemented while learning MLPRegressor may be used.

크고 단단한 자석을 사용하는 종래 기술과 대조적으로, 자기 Ne-Fe-B 미립자 또는 나노 입자를 포함할 수 있는 자기 미립자(104)는 직경이 약 200 μm의 단위에 있거나 그보다 작다. 그렇지만, 복합 자성 재료(101)가 의도된 적용에 따라 신축 가능성 또는 부드러움(softness)의 레벨을 유지하는 한 다른 크기 및 형상의 입자(104)가 사용될 수도 있다. 의도된 적용 및 사용된 자성 입자(104)의 양에 따라, 복합 자성 재료(101)는 복합 자성 재료(101)를 생성하기 위해 사용된 엘라스토머(103)와 동일하거나 유사한 특성을 가질 수 있다. 게다가, 마이크로스케일의 자성 입자(104)의 이용은 기계적 부하가 자성 재료(101)에 가해질 때 내부 응력 집중의 강도를 저감할 수 있고, 또한 재료(101)가 가요성 및/또는 신축 가능성을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 대형 자석이 엘라스토머에 내장된 경우, 두 재료 사이의 컴플라이언스 차이로 인해 기계적 부하가 가해지면 단단한 자석과 연성 엘라스토머 사이의 계면에서 박리가 발생할 수 있다. 게다가, 그러한 실시예는 얇은 기하학적 형상을 허용하거나 및/또는 날카로운 3D 기하학적 형상을 포함할 수 있다.In contrast to the prior art using large and rigid magnets, the magnetic particles 104, which may include magnetic Ne-Fe-B particles or nanoparticles, have diameters on the order of about 200 μm or smaller. However, other sizes and shapes of particles 104 may be used as long as the composite magnetic material 101 maintains a level of stretchability or softness depending on the intended application. Depending on the intended application and the amount of magnetic particles 104 used, the composite magnetic material 101 may have the same or similar properties as the elastomer 103 used to create the composite magnetic material 101 . In addition, the use of microscale magnetic particles 104 can reduce the intensity of internal stress concentration when a mechanical load is applied to the magnetic material 101 , and also make the material 101 flexible and/or stretchable. can do. For example, if a large magnet is embedded in an elastomer, the difference in compliance between the two materials can cause delamination at the interface between the hard magnet and the soft elastomer when a mechanical load is applied. Moreover, such embodiments may allow for thin geometries and/or include sharp 3D geometries.

일 실시예에서, 센서(100)는 다음의 제조 프로세스로 형성된다(도 8 참조). 먼저, 실리콘 엘라스토머(103)와 자성 미립자(104)를 혼합하고 자기장 하에서 복합 재료를 경화시킴으로써 자성 재료(101)가 기능화된다. 재료는 자성 미립자(104)가 경화된 엘라스토머(103)에 고정되기 전에 자성 미립자(104)를 정렬하기 위해 자기장에서 경화되어 자성 입자(104)의 균질한 자기 배향을 생성한다. 변형 실시예에서는, 불균일한 자기 배향이 사용된다. 추가의 예로서, 예비 중합체 및 가교제가 1:1 비율로 약 30초 동안 전단 혼합될 수 있다. 사전 경화된 엘라스토머 혼합물은 1:1 중량비로 자성 미립자(104)(MQP-15-12; Magnequench)와 손으로 혼합되어 자성 재료(101)를 형성할 수 있다. 그런 다음 경화되지 않은 자성 재료(101)는 몰드에 부어지고 5분 동안 탈기될 수 있다. 얇은 플라스틱 필름이 몰드의 상부에 놓일 수 있고 과잉 재료(101)가 압착될 수 있다. 그런 다음 몰드가 채워지고 영구 자석(N48; Applied Magnets) 표면에 거꾸로 놓일 수 있다. 그 다음에 재료(101)는 실온에서 경화될 수 있고 1시간 내에 몰드로부터 제거될 수 있다. 마지막으로, 자성 재료(101)는 상용 자력계(102) 기판(예를 들어 MLX90393, Sparkfun)의 상단에 부착될 수 있다(Silpoxy; Smooth-On). 변형 실시예에서는, 우레탄 폼이 엘라스토머(103)로서 사용되지만; 당업자는 여러 유형의 엘라스토머(103)가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또 다른 변형 실시예에서는, 폴리머 이외의 변형 가능한 재료가 복합 자성 재료(101)를 위한 기판으로서 사용될 수도 있다.In one embodiment, the sensor 100 is formed with the following manufacturing process (see FIG. 8 ). First, the magnetic material 101 is functionalized by mixing the silicone elastomer 103 and the magnetic particles 104 and curing the composite material under a magnetic field. The material is cured in a magnetic field to align the magnetic particles 104 before they are fixed to the cured elastomer 103 , creating a homogeneous magnetic orientation of the magnetic particles 104 . In a variant embodiment, non-uniform magnetic orientation is used. As a further example, the prepolymer and crosslinker may be shear mixed in a 1:1 ratio for about 30 seconds. The pre-cured elastomer mixture may be hand mixed with the magnetic particulate 104 (MQP-15-12; Magnequench) in a 1:1 weight ratio to form the magnetic material 101 . The uncured magnetic material 101 can then be poured into a mold and degassed for 5 minutes. A thin plastic film may be placed on top of the mold and excess material 101 may be squeezed out. The mold can then be filled and placed upside down on the surface of permanent magnets (N48; Applied Magnets). The material 101 can then be cured at room temperature and removed from the mold within an hour. Finally, the magnetic material 101 may be attached (Silpoxy; Smooth-On) on top of a commercial magnetometer 102 substrate (eg MLX90393, Sparkfun). In a variant embodiment, urethane foam is used as elastomer 103; One of ordinary skill in the art will appreciate that several types of elastomer 103 may be used. In another alternative embodiment, a deformable material other than a polymer may be used as the substrate for the composite magnetic material 101 .

신축 가능한 회로(106) 설계 및 제조와 관련하여, 신축 가능한 회로(106)는 자력계(102)(MLX90393; Melexis) 및 5개의 출력 와이어(도 1b)를 포함할 수 있다. 추가적인 출력 와이어는 신축 가능한 회로(106)의 단층 설계로 인해 유용할 수 있는 제2의 3.3볼트 라인용일 수 있다. 구리와 크롬의 얇은 층이 PDMS(Sylgard 184; Dow Corning)의 표면으로 스퍼터링되고, 레이저로 패턴화되어 회로 트레이스를 남긴다. 공융 갈륨 인듐(EGaIn)은 NaOH의 수조에 담글 때 나머지 구리 트레이스에 선택적으로 적셔진다. 그 다음에, 회로 구성요소(106)는 액체 금속 트레이스의 상부에 직접 배치될 수 있고 PDMS의 추가 층으로 밀봉될 수 있다.With respect to the design and manufacture of the stretchable circuit 106 , the stretchable circuit 106 may include a magnetometer 102 (MLX90393; Melexis) and five output wires ( FIG. 1B ). An additional output wire may be for a second 3.3 volt line, which may be useful due to the single layer design of the telescoping circuit 106 . A thin layer of copper and chromium is sputtered onto the surface of PDMS (Sylgard 184; Dow Corning) and patterned with a laser, leaving circuit traces. Eutectic gallium indium (EGaIn) is selectively wetted into the remaining copper traces when immersed in a bath of NaOH. The circuit components 106 can then be placed directly on top of the liquid metal traces and sealed with an additional layer of PDMS.

예를 들어, 이러한 방식으로 구성된 센서(100)는 자성 재료(101)의 변형 및 재료(101)로부터 방출되는 자기장의 변화로 인해 발생되는 압력 데이터와 같은 데이터를 수집할 수 있으며, 이는 자력계(102)에 의해 감지된다. 일부 실시예에서는 고유 자기장을 생성할 수 있는 자성 재료(101) 내의 입자(104)의 불균일한 분포로 인해 데이터 구동 기술을 사용하여 자성 재료(101)에서 발생하는 변형의 위치를 분류하고 변형 깊이를 추정할 수 있다. 특히, 위치는 예를 들어 3mm 해상도 5×5 그리드 및 3개의 이산 깊이를 가진 5mm 방사형 원에 대해 98%의 정확도로 분류될 수 있다. 회귀 알고리즘은 접촉을 3 ㎟ 영역으로 국소화할 수 있다. 이와 관련하여, 여기에 개시된 일부 실시예는 간단한 제작, 신속한 통합 및 적응 가능한 기하학적 구조를 갖는 연속적이고 부드러운 촉각 표면에 대한 요구를 해결하기 위한 접근 방식을 제공한다.For example, a sensor 100 configured in this manner may collect data such as pressure data generated due to deformation of the magnetic material 101 and a change in the magnetic field emitted from the material 101 , which may include the magnetometer 102 . ) is detected by In some embodiments, due to the non-uniform distribution of particles 104 within magnetic material 101 that can create an intrinsic magnetic field, data-driven techniques are used to classify the location of deformations occurring in magnetic material 101 and determine the depth of deformation. can be estimated In particular, the positions can be classified with 98% accuracy, for example, for a 5mm radial circle with 3mm resolution 5x5 grid and 3 discrete depths. The regression algorithm can localize the contact to a 3 mm2 area. In this regard, some embodiments disclosed herein provide an approach to address the need for a continuous and smooth tactile surface with simple fabrication, rapid integration, and adaptable geometries.

위치 감지(location sensing)의 실증으로서, 5×5 그리드를 포함하는 실시예에 대해서는, 힘 및 자기장 변화는 3mm 해상도 5×5 그리드에서 최대 3mm 깊이(도 2a 참조)까지 총 25개의 클래스에 대해 수집되었다. 균일한 무작위 분포를 이용하여 이들 25개의 위치에서 2750개의 접촉 샘플이 수집되었다. 각 클래스(총 25개)는 각각 약 100개의 샘플을 포함하고 있다.As a demonstration of location sensing, for the embodiment including a 5x5 grid, force and magnetic field changes were collected for a total of 25 classes from a 3mm resolution 5x5 grid up to a depth of 3mm (see Fig. 2a). became 2750 contact samples were collected at these 25 locations using a uniform random distribution. Each class (25 in total) contains approximately 100 samples each.

몇 가지 다른 분류 알고리즘이 아래에 나타낸 바와 같이 25개의 위치 사이에서 정확하게 구별할 수 있었다. 이와 관련하여, 성능의 다양한 측면을 설명하기 위해 2차 판별 분석(quadratic discriminant analysis, QDA)을 이용한 분류 결과가 여기에서 논의된다. 오분류의 경우, 예측된 클래스는 실제 위치에 인접하고 있다(도 2b - 위치 13에 대한 QDA 분류 참조). 모든 위치에 대한 분류 정확도는 도 2c에 도시되어 있다(클래스별로 그룹화된 모든 QDA 분류 결과). 도 2d∼도 2e는 각각 x-위치, y-위치에 대해 위치별로 그룹화된 선형 회귀의 평균 절대 오차 및 힘에 대한 KNN 회귀의 평균 절대 오차를 나타낸다.Several different classification algorithms were able to accurately distinguish between the 25 locations, as shown below. In this regard, classification results using quadratic discriminant analysis (QDA) to account for various aspects of performance are discussed here. In case of misclassification, the predicted class is adjacent to the actual position (see Fig. 2b - QDA classification for position 13). The classification accuracy for all positions is shown in Fig. 2c (all QDA classification results grouped by class). 2d-2e show the mean absolute error of the linear regression grouped by position for the x-position, the y-position, respectively, and the mean absolute error of the KNN regression for force.

위치를 추정하기 위해, 25개의 이산적인 위치가 그들의 좌표 위치로 변환되었다. 5×5 그리드 및 선형 회귀 실험의 경우, x-위치는 1.1mm의 평균 오차를 갖고 y-위치는 3.8mm의 평균 오차를 갖는다. 센서(100)의 가장자리 근처의 출력 추정치는 더 낮은 정확도 및 더 높은 표준 편차를 가질 수 있다. 1/d3의 자기 신호 대 거리 관계로 인해, 신호 품질은 거리에 따라 감소할 것으로 예상할 수 있다. 가장자리를 따르는 이들 점에서, 입자의 무작위 분포는 적용된 변형보다 출력 신호에 더 큰 영향을 미치기 시작할 수 있다. 이것은 비정상적인 신호 변화를 초래할 수 있으며, 데이터 구동 기술이 기능 피팅 접근 방식 대신 일부 비제한적인 실시예에서 더 유용할 수 있는 이유가 될 수 있다.To estimate the positions, 25 discrete positions were transformed into their coordinate positions. For the 5×5 grid and linear regression experiments, the x-position has a mean error of 1.1 mm and the y-position has a mean error of 3.8 mm. The output estimate near the edge of the sensor 100 may have lower accuracy and higher standard deviation. Due to the magnetic signal-to-distance relationship of 1/d3, the signal quality can be expected to decrease with distance. At these points along the edges, the random distribution of particles may begin to have a greater effect on the output signal than the applied deformation. This can lead to abnormal signal changes, which may be why data driven techniques may be more useful in some non-limiting embodiments instead of a function fitting approach.

위치 및 깊이 감지의 실증으로서, 원형 센서(100)를 포함하는 실시예에 대해서는, 자기장의 힘 제어 변화는 8개의 다른 XY 위치와 3개의 다른 깊이(dZ = 1, 2 또는 3mm)에 대해 측정되었다(도 3a 참조). 균일한 무작위 분포를 이용하여 이들 24개의 XYZ 위치에 대해 2850개의 접촉 샘플이 수집되었다. 각 클래스(총 24개)에는 각각 약 110개의 샘플이 있다. 여기에 나타낸 바와 같이, QDA(Quadratic Discriminant Analysis, 2차 판별 분석)는 XY 위치와 깊이에 기초하여 위치를 분류하기 위해 사용될 수 있다. 예측된 클래스가 잘못된 경우, 인접 클래스로 예측될 수 있다(도 3b - 위치 3 및 1mm의 깊이에 대한 QDA 분류 결과 참조). 인접 위치 사이의 오분류는 인접 깊이보다 더 일반적일 수 있다. z-축 자기장과 압력 사이의 큰 상관 관계는 깊이를 구별하기 위해 사용될 수 있다. 모든 테스트된 위치가 5×5 실험보다 자력계(102)에 더 가깝기 때문에, 미립자(104)로부터 동일한 도입된 노이즈가 관찰되거나 존재하지 않을 수 있다. 모든 위치에 대한 분류 정확도는 도 3c에 도시되어 있다. 일반적으로, 가해지는 압력(깊이 = 1)이 작을수록 신호 변화가 더 작아지고 정확도가 더 낮아진다. 이 샘플의 경우, 위치 3과 깊이 1은 분류 정확도가 더 낮았다. 이것은, 오른쪽에서 더 작은 신호로 이어지는 오정렬의 조합에 기인할 수 있으며, 이는 또한 도 3d(x-위치에 대해 위치별로 그룹화된 선형 회귀 출력으로부터의 평균 절대 오차) 및 도 3e(y 위치)의 위치 2, 3, 4에서의 더 큰 오류에서도 명백하다. 도 3f는 z-위치에 대한 평균 절대 오차를 나타내고 도 3g는 힘에 대해 위치별로 그룹화된 KNN 회귀의 평균 절대 오차를 나타낸다.As a demonstration of position and depth sensing, for the embodiment including the circular sensor 100, the force-controlled change of the magnetic field was measured for 8 different XY positions and 3 different depths (dZ = 1, 2 or 3 mm). (see Fig. 3a). 2850 contact samples were collected for these 24 XYZ positions using a uniform random distribution. Each class (24 in total) has about 110 samples each. As shown here, Quadratic Discriminant Analysis (QDA) can be used to classify positions based on XY position and depth. If the predicted class is wrong, it can be predicted as an adjacent class (see Fig. 3b - QDA classification results for position 3 and a depth of 1 mm). Misclassifications between adjacent locations may be more common than adjacent depths. A large correlation between the z-axis magnetic field and pressure can be used to differentiate depth. Because all tested locations are closer to the magnetometer 102 than the 5x5 experiment, the same introduced noise from the particles 104 may or may not be observed. The classification accuracy for all positions is shown in Fig. 3c. In general, the smaller the applied pressure (depth = 1), the smaller the signal change and the lower the accuracy. For this sample, position 3 and depth 1 had lower classification accuracy. This may be due to a combination of misalignment leading to a smaller signal on the right, which is also the location of Fig. 3d (mean absolute error from linear regression output grouped by position relative to x-position) and Fig. 3e (y position). The larger errors in 2, 3 and 4 are also evident. Figure 3f shows the mean absolute error for the z-position and Figure 3g shows the mean absolute error of the KNN regression grouped by position for force.

위에서 논의한 실증을 계속 참조하여 24개의 클래스가 위치 추정을 위한 그들의 실제 (x,y,z) 좌표로 변환되었다. 8-점 원 및 선형 회귀의 경우, 모든 클래스에 걸쳐서 x-위치의 평균 절대 오차는 1.2mm이고 y-위치의 평균 절대 오차는 3.4mm이다. x 좌표와 y 좌표 사이의 오차 차이는 이 테스트에서 작은 오정렬을 의미할 수 있으며, 또한 도 3d 및 도 3e에서 위치별로 변화된 오차에 나타냈다. z-위치 오류는 아마도 1mm 깊이 변화와 관련된 더 큰 신호 변화로 인해 상대적으로 더 작다(0.03mm)(도 3f).Continuing with the demonstration discussed above, 24 classes were transformed into their real (x,y,z) coordinates for position estimation. For 8-point circle and linear regression, the mean absolute error of the x-position is 1.2 mm and the mean absolute error of the y-position is 3.4 mm across all classes. The difference in error between the x-coordinate and the y-coordinate may mean a small misalignment in this test, and is also shown in the error varied by position in FIGS. 3D and 3E . The z-position error is relatively small (0.03 mm), probably due to the larger signal change associated with a 1 mm depth change (Fig. 3f).

힘을 추정하기 위해, 시계열 데이터 및 k-최근접 이웃(k-nearest neighbors, KNN) 회귀가 이용될 수 있다. 입력은 자기장의 Bx, By 및 Bw 성분, 자력계 Bt의 내부 온도, 각 시간 스텝에서의 로드셀 출력일 수 있다. 5×5 그리드 실증의 경우, 힘 추정에 대한 평균 오차는 0.44 N이었다(도 2f). 8-점 원의 경우, 힘 추정에 대한 평균 오차는 약 0.25 N이었다(도 3g). 자기장의 z-축은 힘 추정을 비교적 정확하게 만드는 가압력과 강한 상관관계를 가지고 있었다. 그러나, 양호한 신호 변화는 변형의 양에 의존할 수 있다. 그러므로, 자성 재료(101)에 사용되는 엘라스토머(103)가 더 높은 영률(Young's modulus)을 가진다면 힘 해상도는 더 커질 수 있다. 양 테스트 중에 가해지는 힘의 범위는 3mm의 선택된 최대 깊이에 의해 제한되는 대략 0 내지 2.5 N이었다.To estimate the force, time series data and k-nearest neighbors (KNN) regression can be used. The inputs may be the Bx, By, and Bw components of the magnetic field, the internal temperature of the magnetometer Bt, and the load cell output at each time step. For the 5×5 grid demonstration, the average error for force estimation was 0.44 N (Fig. 2f). For an 8-point circle, the mean error for the force estimate was about 0.25 N (Fig. 3g). The z-axis of the magnetic field had a strong correlation with the pressing force, making the force estimation relatively accurate. However, a good signal change can depend on the amount of strain. Therefore, if the elastomer 103 used in the magnetic material 101 has a higher Young's modulus, the force resolution can be larger. The range of force applied during both tests was approximately 0 to 2.5 N limited by the selected maximum depth of 3 mm.

센서(100)의 능력의 실증으로서, 단순한 4-키 방향성 게임 패드가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 센서(100)의 표면에는 4개의 아크릴 화살표가 부착되어 사용자가 방향 명령을 입력하기 위해 압력을 가할 위치를 찾는 것을 도울 수 있다. 4개의 명령은 자기장의 X, Y 및 Z 성분의 변화에 의해 식별될 수 있다. 이 예에서는 분류기가 사용되지 않고 대신에 버튼이 충분히 간격을 두고 있을 때 단순한 임계값이 적절한 것으로 확인되었다. 양수 및 음수 X 및 Y 변화는 웹 브라우저에서 Ms. Pac-Man을 플레이하기 위해 키보드의 4개의 화살표 키에 매핑된다. 게임으로부터의 각 방향에 대한 예시적인 데이터도 도 4a에 도시되어 있다.As a demonstration of the capabilities of sensor 100 , a simple four-key directional game pad is shown in FIG. 4A . As shown in FIG. 4A , four acrylic arrows may be attached to the surface of the sensor 100 to help the user find a location to apply pressure to input a direction command. The four commands can be identified by changes in the X, Y, and Z components of the magnetic field. In this example, a simple threshold was found to be appropriate when no classifier was used and instead the buttons were sufficiently spaced apart. Positive and negative X and Y changes in Ms. It maps to the 4 arrow keys on the keyboard to play Pac-Man. Exemplary data for each direction from the game is also shown in FIG. 4A .

5×5 그리드 분류기의 속도와 정확도를 실증하기 위해, 도 4b에 나타낸 바와 같이 로봇에 의해 제어되는 원통형 압자를 사용하여 지뢰 찾기의 짧은 게임을 플레이했다. 25개의 그리드 위치의 각각은 화면의 마우스 위치에 매핑된다. 신호의 길이(즉, 가해진 압력의 지속 시간)는 사용자가 왼쪽 클릭을 통해 사각형을 표시할지 아니면 오른쪽 클릭으로 플래그를 배치할지 여부를 나타낸다. 신호가 휴지 상태로 돌아온 직후에, 위치를 예측하기 위해 QDA 분류기가 사용되고, 그 다음에 적절한 동작이 수행된다. 원시 데이터 및 분류 결과는 도 4b에 도시되어 있다.To demonstrate the speed and accuracy of the 5×5 grid classifier, a short game of minesweeper was played using a robot-controlled cylindrical indenter as shown in Fig. 4b. Each of the 25 grid positions is mapped to a mouse position on the screen. The length of the signal (ie, the duration of the applied pressure) indicates whether the user will display a rectangle with a left click or place a flag with a right click. Immediately after the signal returns to rest, the QDA classifier is used to predict the position, and then the appropriate action is performed. The raw data and classification results are shown in Fig. 4b.

센서(100)가 신축 가능하고 유연하기 때문에, 기존의 신축 가능한 회로 기술과 통합될 수 있다. 4키 패드와 유사하게, 4개의 키보드 명령(ctrl+left, ctrl+right, ctrl+up, ctrl+down)이 음악 재생 목록을 통해 탐색할 벡터 임계값을 통해 4개의 위치(이전, 다음, 볼륨 크게, 볼륨 작게)로 매핑되었다(도 4c). 아크릴 화살표가 없으면, 사용자 입력이 위치에 따라 변화할 수 있어 더 잡음이 큰 데이터로 된다. 게다가, 사용자의 손과 피부가 자성 스킨을 따라 변형될 수 있다. 이들 양 인자는 추가 노이즈에 기여하지만 시스템은 여전히 대략 4개의 기본 임계값으로 작동하여 접촉의 사분면을 결정할 수 있다.Because the sensor 100 is stretchable and flexible, it can be integrated with existing stretchable circuit technology. Similar to the 4-key pad, the 4 keyboard commands (ctrl+left, ctrl+right, ctrl+up, ctrl+down) navigate through the music playlist to 4 positions (previous, next, volume) via a vector threshold to navigate through. large, small volume) (Fig. 4c). Without the acrylic arrows, user input could change with position, resulting in more noisy data. In addition, the user's hands and skin can be deformed along with the magnetic skin. Although these two factors contribute to additional noise, the system can still operate with approximately four default thresholds to determine the quadrant of the contact.

추가적인 실시예에서, 힘 및 접촉 위치에 대한 범위 및 해상도는 센서(100) 또는 자성 재료(101)의 제작 프로세스를 조정하거나, 훈련 절차를 수정하거나, 추가적인 자력계(102)를 추가함으로써 향상될 수 있다. 여기에서 논의된 센서(100)는 소프트 로보틱스, 의료 기기, 조작 및 촉각 표면을 포함하는 응용에 사용될 수 있다. 또한, 일부 비제한적인 실시예에서, 센서(100)는 호스트 시스템의 기하학적 구조에 따르도록 성형될 수 있고 규정된 기계적 부하 또는 변형에 응답하도록 자기적으로 프로그래밍될 수 있다.In additional embodiments, the range and resolution for force and contact locations may be improved by adjusting the fabrication process of the sensor 100 or magnetic material 101 , modifying the training procedure, or adding an additional magnetometer 102 . . The sensor 100 discussed herein may be used in applications including soft robotics, medical devices, manipulation and tactile surfaces. Further, in some non-limiting embodiments, the sensor 100 may be shaped to conform to the geometry of the host system and may be magnetically programmed to respond to a prescribed mechanical load or strain.

본 명세서에서 논의된 일부 실시예와 관련하여, 시계열 데이터는 대표적인 특징의 세트로 표현된다. 또한, 21개의 특징은 자동화된 특징 선택 방법 대신 수동으로 식별되었다. 21개의 특징은 샘플(18개의 특징)에 대한 각 축의 최소값, 최대값, 평균, 표준 편차, 중간값 및 합과 세 축(3개의 특징) 사이의 스칼라 비율을 포함한다. 접촉이 끝나면 접촉 시간 동안 수집된 데이터로부터 특징을 계산하고 즉시 분류 및 회귀 결과를 출력한다. 따라서, 여기에서 논의된 바와 같이, 무작위로 분포된 자성 입자(104)의 변형은 반복 가능하고 분리 가능한 신호를 생성할 수 있다.In connection with some embodiments discussed herein, time series data is represented as a set of representative features. In addition, 21 features were identified manually instead of an automated feature selection method. The 21 features include the minimum, maximum, mean, standard deviation, median, and sum of each axis for the sample (18 features) and the scalar ratio between the three axes (3 features). At the end of the contact, the features are calculated from the data collected during the contact time, and the classification and regression results are output immediately. Thus, as discussed herein, deformation of randomly distributed magnetic particles 104 can produce repeatable and separable signals.

자력계(102)로부터 수신된 데이터를 분석할 때, 자기장 강도는 역 3차 관계식을 이용하여 자력계(102)까지의 거리에 따라 감쇠하는 것으로 추정된다:When analyzing data received from the magnetometer 102 , the magnetic field strength is estimated to decay with distance to the magnetometer 102 using an inverse cubic relation:

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방법론과 관련하여, 파이썬 사이킷-런(Python scikit-learn) 툴킷의 분류 알고리즘이 평가되었다(사용 가능한 모든 분류 알고리즘 및 구현 세부 정보의 전체 비교는 도 5 참조). 결과는 상대적으로 작은 데이터 세트로 다수의 클래스를 성공적으로 구별할 수 있는 동시에 감소된 파라미터 튜닝을 포함한다. 광범위한 하이퍼파라미터 튜닝을 필요로 하지 않는 지도 학습 알고리즘이 사용되었으며 다중 클래스 분류에 적합했다.Regarding methodology, the classification algorithm of the Python scikit-learn toolkit was evaluated (see Figure 5 for a full comparison of all available classification algorithms and implementation details). The results include reduced parameter tuning while being able to successfully discriminate multiple classes with a relatively small data set. A supervised learning algorithm that does not require extensive hyperparameter tuning was used and was suitable for multi-class classification.

이와 관련하여 다음의 분류 알고리즘이 사용되었다:In this regard, the following classification algorithm was used:

ㆍ LDA: 선형 판별 분석(Linear Discriminant Analysis)은 각 클래스가 평균 및 동일한 공분산을 갖는 다변량 가우시안 밀도라는 가정 하에 선형 결정 경계를 찾는 것을 목표로 하는 분류기이다. 특이값 분해(singular value decomposition, SVD), 수축 없음, 사전 또는 차원 축소를 사용했다.ㆍ LDA: Linear Discriminant Analysis is a classifier that aims to find linear decision boundaries under the assumption that each class is a multivariate Gaussian density with mean and equal covariance. We used singular value decomposition (SVD), no shrinkage, prior or dimensionality reduction.

ㆍ QDA: 마찬가지로, 2차 판별 분석(Quadratic Discriminant Analysis)은 각 클래스간의 2차 결정 경계를 찾는 것을 목표로 하는 분류기이다. 각 클래스는 가우시안 밀도로서 모델링되며 출력 예측은 베이즈 법칙(Bayes' rule)을 최대화하는 클래스이다. LDA와의 주요 차이점 중 하나는 QDA가 각 클래스에 동일한 공분산 행렬이 있다고 가정하지 않는다는 점이다.• QDA: Similarly, Quadratic Discriminant Analysis is a classifier that aims to find quadratic decision boundaries between each class. Each class is modeled as a Gaussian density and the output prediction is the class that maximizes Bayes' rule. One of the main differences from LDA is that QDA does not assume that each class has the same covariance matrix.

ㆍ KNN: K-최근접 이웃(K-Nearest Neighbors)은 새로운 입력을 분류하기 위해 일부 거리 측정법에 의해 k개의 가장 가까운 샘플을 사용한다. 이것은 데이터를 클러스터링하기 위해 일반적으로 사용되는 방법이다. 균일 가중치, 맨해튼 거리(l1 표준) 및 k=5가 여기에서 논의된 일부 실험에서 사용되었다.ㆍ KNN: K-Nearest Neighbors use the k nearest samples by some distance metric to classify new inputs. This is a commonly used method for clustering data. Uniform weights, Manhattan distance (11 standard) and k=5 were used in some experiments discussed here.

ㆍ RF: 무작위 산림(Random Forest) 분류기는 데이터 세트의 서브 샘플에 대한 결정 트레스(decision tress)에 적합하다. 데이터 세트를 무작위로 분할함으로써, 분류기는 이 서브 집합 중에서 가장 좋은 기능을 선택한다.ㆍ RF: Random Forest classifier is suitable for decision tress on subsamples of a data set. By randomly partitioning the data set, the classifier chooses the best feature among these subsets.

ㆍ DT: 결정 트리(Decision Tree, DT) 분류기는 이진 트리를 생성하고 가장 큰 정보를 유지하는 특징에 기초하여 노드를 분할한다. 여기에서 논의된 일부 태양에서, 결정 트리는 분류 및 회귀 트리(Classification And Regression Tree, CART) 알고리즘을 이용하여 사용되었다.ㆍ DT: Decision Tree (DT) classifier creates a binary tree and splits the nodes based on the feature that holds the largest information. In some aspects discussed herein, decision trees were used using a Classification And Regression Tree (CART) algorithm.

ㆍ GB: 그라디언트 부스팅(Gradient Boosting, GB)은 n개의 회귀 트리를 지정된 손실 함수의 기울기에 맞추는 앙상블 분류기이다. 여기에서 논의된 일부 태양에서는, 100개의 추정기, 일탈 손실, 및 0.1의 학습률이 사용되었다.ㆍ GB: Gradient Boosting (GB) is an ensemble classifier that fits n regression trees to the gradient of a specified loss function. In some aspects discussed herein, 100 estimators, deviance loss, and a learning rate of 0.1 were used.

회귀 알고리즘과 관련하여, XY 좌표 위치를 추정하기 위해 다음의 회귀 알고리즘이 선택되었다. 위에서 논의한 일부 태양과 관련하여, 일부 회귀 알고리즘은 이전 분류로부터의 동일한 기능 및 샘플을 이용하여 훈련되었다(도 6 참조).Regarding the regression algorithm, the following regression algorithm was selected to estimate the XY coordinate position. With respect to some aspects discussed above, some regression algorithms were trained using the same features and samples from previous classifications (see FIG. 6 ).

ㆍ LR: 선형 회귀(Linear Regression)는 잔차 제곱합을 최소화하면서 특징을 계수로 이용하여 선을 맞춘다.ㆍ LR: Linear regression fits a line using features as coefficients while minimizing the residual sum of squares.

ㆍ SVR: 지원 벡터 회귀(Support Vector Regression)는 지정된 소프트 마진 ε을 최소화함으로써 커널 함수에 적합하다. 이 ε 경계 내의 모든 오류는 0으로 간주되고 L1 손실은 이 경계에서 시작하여 계산된다. 여기에서 논의된 일부 경우에는 ε = 0.1이고 rbf 커널이 사용되었다.SVR: Support Vector Regression fits the kernel function by minimizing the specified soft margin ε. All errors within this ε boundary are considered zero and the L1 loss is calculated starting from this boundary. In some cases discussed here, ε = 0.1 and an rbf kernel was used.

ㆍ DTR: 의사결정 트리 회귀 분석기(Decision Tree Regressor)는 최대 정보에 기초하여 의사결정 트리를 구축하고 노드를 분할함으로써 의사결정 트리 분류와 동일한 원리를 따른다. 그러나 이 회귀 분석기에서는 출력이 연속적이다.ㆍ DTR: Decision Tree Regressor follows the same principle as decision tree classification by constructing a decision tree based on maximum information and dividing the nodes. However, in this regressor, the output is continuous.

ㆍ KNN 회귀 분석기: KNN 회귀 분석기는 연속 거리 함수의 가중 평균을 이용하여 KNN 분류 체계를 연속 출력으로 확장한다.ㆍ KNN regressor: KNN regression analyzer expands the KNN classification scheme to continuous output using the weighted average of continuous distance functions.

여기에서 논의된 5×5 그리드 실증과 관련하여, 몇몇 알고리즘은 98% 정확도로 25개의 클래스를 구별할 수 있다. 특히 QDA는 이 정확도를 달성하기 위해 다른 알고리즘에 비해 더 많은 샘플을 필요로 한다. 이는 처음의 1000개의 샘플이 특징의 분산을 캡처하지 못하기 때문일 수 있다. LDA 분류의 정확도는 샘플 크기가 증가함에 따라 감소한다. 이것은 더 많은 샘플이 노이즈를 증가시키기 때문에 특징이 선형으로 분리될 수 없음을 의미할 수 있다. 그것들을 선형적으로 더 분리할 수 있도록 하기 위해 이들 특징의 공간을 늘릴 가능성이 있다.Regarding the 5×5 grid demonstration discussed here, some algorithms are able to distinguish 25 classes with 98% accuracy. In particular, QDA requires more samples than other algorithms to achieve this accuracy. This may be because the first 1000 samples do not capture the variance of the features. The accuracy of LDA classification decreases with increasing sample size. This may mean that the features cannot be separated linearly as more samples increase the noise. It is possible to increase the space of these features to make them more linearly separable.

8-점 원 실증의 경우, 몇몇 알고리즘이 24개의 클래스를 구별할 수 있다. 일반적으로는, 의사결정 트리 기반 접근 방식이 잘 수행한다. 5×5 그리드 결과와 유사하게, QDA는 CART, RF 및 GBoost 접근 방식과 유사한 성능을 달성하기 전에 더 많은 샘플을 필요로 한다. KNN은 이러한 경우에도 잘 수행되었다. 이것은 클래스 [0,7], [8,15], [16,23]을 크기로 분리하는 z-방향 자기장에 기인할 수 있다. 이것은 클러스터가 이미 문제를 8가지 옵션으로 매우 빠르게 줄일 수 있도록 한다. 원 반경이 5×5 그리드보다 작기 때문에, 이전에 논의한 재료의 입자 분포로부터 동일한 노이즈가 보이지 않는다.For the 8-point circle demonstration, some algorithms can distinguish 24 classes. In general, a decision tree-based approach performs well. Similar to the 5×5 grid results, QDA requires more samples before achieving similar performance to CART, RF, and GBoost approaches. KNN performed well in these cases as well. This can be attributed to the z-direction magnetic field separating the classes [0,7], [8,15], and [16,23] in magnitude. This allows the cluster to reduce the problem very quickly to 8 options already. Since the circle radius is smaller than the 5×5 grid, the same noise is not seen from the particle distribution of the material previously discussed.

선형 회귀 알고리즘(선형, 능선, 올가미, 탄성)은 모두 평균 오차가 약 1.1mm인 X 위치와 평균 오차가 약 2.5mm인 Y 위치를 추정할 수 있는 연속 출력을 갖는다. KNN 및 DT 결과는 준 이산 출력(quasi-discrete output)으로 이어지는 데이터 입력의 준 이산 특성에 종속될 수 있다. 그러나 전체 표면에 대한 연속 샘플링이 사용될 수 있다.The linear regression algorithms (linear, ridge, snare, elastic) all have continuous outputs capable of estimating an X position with an average error of about 1.1 mm and a Y position with an average error of about 2.5 mm. The KNN and DT results can be subject to the quasi-discrete nature of the data input leading to a quasi-discrete output. However, continuous sampling over the entire surface may be used.

5×5 그리드에 대한 원시 벡터와 관련하여, 자력계(102)는 출력 벡터의 크기 및 방향에 의해 결정될 수 있는 내부 좌표 프레임을 가질 수 있다. 예를 들어, 자력계(102)의 x-축이 도 6에서 교차되고, 출력은 음에서 양으로 변화할 수 있다. 신호 주변의 각 사분면은 그들의 위치에 기초하여 올바른 부호를 반영할 수 있으며, 신호의 크기는 자력계(102)로부터의 거리에 따라 감소한다. 그러나, 이 패턴으로부터 몇 가지 불일치가 그리드 실험의 가장자리에 나타날 수 있다.With respect to a raw vector for a 5x5 grid, magnetometer 102 may have an internal frame of coordinates that may be determined by the magnitude and direction of the output vector. For example, the x-axis of the magnetometer 102 is crossed in FIG. 6 , and the output may vary from negative to positive. Each quadrant around the signal may reflect the correct sign based on their location, and the magnitude of the signal decreases with distance from the magnetometer 102 . However, some discrepancies from this pattern may appear at the edge of the grid experiment.

도 7에서, 최대 Bx 및 Bt 벡터는 10mm/min의 속도로 25개의 위치에서 3mm 들여쓰기에 대한 격자 패턴의 각 위치에 대해 표시된다. 불일치는 도 7에서 별표로 표시된다. 내부의 9개의 위치 신호는 가장자리에 비해 상당히 크고, 전체 벡터는 프레임에 표시되지 않는다는 점에 주의해야 한다. 그러나, 내부의 9개의 위치가 자력계(102)의 x-축 및 y-축의 예상되는 부호를 따른다는 것이 명백하다. 특히, X 벡터는 우리가 y-축을 가로지르는 것과 같이 쓰기 위해 왼쪽으로부터 (pos, neg, neg) 패턴을 따른다. 유사하게, Y 벡터는 우리가 x-축을 가로지르는 것과 같이 위에서 아래로 (neg, pos, pos) 패턴을 따른다. 이러한 패턴은 예상되며 대략적인 이론을 따른다.In Fig. 7, the maximum Bx and Bt vectors are displayed for each position in the grid pattern for 3 mm indentation at 25 positions at a rate of 10 mm/min. Discrepancies are marked with an asterisk in FIG. 7 . It should be noted that the inner 9 position signals are quite large compared to the edges, and the full vector is not represented in the frame. However, it is clear that the nine positions of the interior follow the expected signs of the x- and y-axes of the magnetometer 102 . Specifically, the X vector follows the (pos, neg, neg) pattern from the left to write as we cross the y-axis. Similarly, the Y vector follows a top to bottom (neg, pos, pos) pattern as we cross the x-axis. These patterns are expected and follow rough theory.

가장자리 경우는 약간 다르다. 예를 들어, 위치 15와 20에서의 X 벡터(빨간색)를 고려한다. 중앙의 9개의 위치에 의해 나타낸 것들은 x-축의 음수 쪽에 있지만 신호는 양수이다. 이 불일치는 가장자리 위치에서만 나타난다. 이것은 자력계(102)로부터 떨어진 이 거리에 적용된 변형보다 더 큰 샘플의 불균일성에 기인할 수 있다. 역 큐브 관계로 인해, 신호는 거리에 따라 매우 신속하게 감쇠할 수 있다. 바꾸어 말해서, 압자 아래에서 응집체 입자의 변위는 벌크 변위보다 순 자기장 변화에 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 위치 20과 24에 대한 Y 벡터(녹색)에서도 유사한 효과를 볼 수 있다. 여기서 신호는 양수이어야 하지만 대신에 상대적으로 작고 음수이다. 이들 상대적으로 예측할 수 없는 불일치는 모델 기반 기술보다 데이터 구동 기술을 이용하도록 동기를 부여할 수 있다.The edge case is slightly different. For example, consider the X vectors at positions 15 and 20 (red). Those represented by the center 9 positions are on the negative side of the x-axis, but the signal is positive. This discrepancy appears only at edge locations. This may be due to the non-uniformity of the sample greater than the strain applied at this distance away from the magnetometer 102 . Because of the inverse cube relationship, signals can decay very quickly with distance. In other words, the displacement of the agglomerated particle under the indenter may have a greater effect on the net magnetic field change than the bulk displacement. A similar effect can be seen with the Y vector for positions 20 and 24 (green). Here the signal must be positive, but instead is relatively small and negative. These relatively unpredictable discrepancies may motivate the use of data-driven techniques rather than model-based techniques.

다른 비제한적인 실시예에서, 자력계(102)는 작동 중에 복합 자성 재료(101)에 관하여 이동되는 동안 복합 자성 재료(101)의 변형을 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 비제한적인 실시예에서, 복합 자성 재료(101)는 로봇 팔의 그리퍼 또는 손에 위치될 수 있는 반면, 자력계(102)는 팔꿈치, 어깨, 기저부 또는 다른 위치와 같은 로봇 팔의 다른 부분에 위치된다. 이러한 예시적인 실시예의 동작 중에, 그리퍼 또는 손은 자력계(102)를 포함하는 태양을 포함하는 로봇 팔의 다른 태양과 동시에 이동할 수 있는바, 복합 자성 재료(101) 및 자력계(102) 양쪽 모두가 서로에 대해 이동하도록 한다. 이와 관련하여, 자력계(102)는 작동 중에 이동하는 동안 복합 자성 재료(101)의 변형을 감지하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자력계(102)는 로봇 팔 또는 로봇 팔에 의해 조작되는 물체와 같은 복합 자성 재료에 연결된 다른 장치와 다른 위치에 위치될 수 있다.In another non-limiting embodiment, the magnetometer 102 may be configured to sense deformation of the composite magnetic material 101 while being moved relative to the composite magnetic material 101 during operation. For example, in at least one non-limiting embodiment, the composite magnetic material 101 may be positioned in a hand or gripper of a robotic arm, while the magnetometer 102 may be positioned on a robot such as an elbow, shoulder, base or other location. placed on different parts of the arm. During operation of this exemplary embodiment, the gripper or hand may move simultaneously with another aspect of the robotic arm, including the aspect comprising the magnetometer 102 , such that both the composite magnetic material 101 and the magnetometer 102 interact with each other. to move about In this regard, the magnetometer 102 may be configured to sense deformation of the composite magnetic material 101 during movement during operation. In yet another embodiment, the magnetometer 102 may be positioned at a different location than other devices coupled to the composite magnetic material, such as a robotic arm or an object manipulated by the robotic arm.

도 9에 나타낸 실시예에서, 자성 재료(101)는 키에 부착되고, 여기서 자력계(102)는 로봇 그리퍼의 일부이다. 로봇 그리퍼 내의 자력계(102)는 합계-mm 정확도로 키 상의 자성 재료(101)에 위치할 수 있고 로봇이 매번 동일한 장소에서 동일한 방식으로 물체를 픽업하는 것을 가능하게 한다. 또한, 로봇은 접촉하기 전에도 반복 가능한 잡기 및 물체 자세를 일관되게 국소화할 수 있다. 자력계(104)는 소형 형식(7×7×2mm)으로 이용 가능하고 빠른 샘플링 속도(>100Hz)를 제공하며 직렬 통신을 통해 시스템에 쉽게 통합할 수 있다.In the embodiment shown in Figure 9, magnetic material 101 is attached to a key, wherein magnetometer 102 is part of a robotic gripper. The magnetometer 102 in the robot gripper can be positioned on the magnetic material 101 on the key with sum-mm accuracy and enables the robot to pick up objects in the same way in the same place every time. In addition, the robot can consistently localize repeatable grabs and object poses even before making contact. The magnetometer 104 is available in a compact format (7×7×2 mm), provides a fast sampling rate (>100 Hz), and can be easily integrated into a system via serial communication.

도 10은 3D 국소화를 가능하게 하는 자성 재료(101)로부터 분리된 자력계(102)를 갖는 센서(100)의 변형 실시예를 도시한다. 자력계(102)로부터 자성 재료(101)를 분리함으로써, 로봇은 자유롭게 이동할 수 있고 모션 및 변형 양쪽으로 인한 주변 자속 변화를 측정할 수 있다. 센서(100)는 시력 기반 물체 국소화를 보완할 수 있다. 분리된 구성요소를 갖는 센서(100)의 예시적인 일 실시예에서, 3-축 자력계(102)는 SDA, SCL, 3.3V 및 GND를 위한 4개의 입력 와이어를 갖는 회로 기판에 장착된다. 이들 4개의 와이어는 자력계(102)가 i2c를 이용하여 엔드 이펙터 또는 그리퍼에 부착된 소형 마이크로컨트롤러와 통신하도록 한다.10 shows a variant embodiment of the sensor 100 with the magnetometer 102 separated from the magnetic material 101 to enable 3D localization. By separating the magnetic material 101 from the magnetometer 102 , the robot can move freely and measure changes in ambient magnetic flux due to both motion and deformation. The sensor 100 may supplement vision-based object localization. In one exemplary embodiment of the sensor 100 with separate components, the 3-axis magnetometer 102 is mounted on a circuit board with four input wires for SDA, SCL, 3.3V and GND. These four wires allow the magnetometer 102 to communicate with a small microcontroller attached to the end effector or gripper using i 2 c.

도 9 및 도 10에 도시된 센서(100)의 경우, 국소화 및 힘 피드백은 전자기에 대한 맥스웰(Maxwell) 방정식에 의해 제어된다. 일부 응용의 경우, 자성 재료(101) 위의 자기장의 모양을 2D 가우시안으로 추정함으로써 프로세스를 단순화할 수 있다. 이러한 기초를 이용하여, 자성 재료(101)의 표면에서 자기장의 z-성분은 자력계(102)에 의해 결정되고 측정될 수 있다. 예를 들어, 2mm의 두께에 대해, 이 예시적인 실시예에서 사용되는 자성 재료(101)는 3500∼4500 μT의 범위를 가질 수 있으며 최소 제곱 맞춤에 대한 합리적인 경계 역할을 한다.For the sensor 100 shown in Figures 9 and 10, localization and force feedback are controlled by Maxwell's equations for electromagnetics. For some applications, the process can be simplified by estimating the shape of the magnetic field over the magnetic material 101 as a 2D Gaussian. Using this basis, the z-component of the magnetic field at the surface of the magnetic material 101 can be determined and measured by the magnetometer 102 . For example, for a thickness of 2 mm, the magnetic material 101 used in this exemplary embodiment can range from 3500 to 4500 μT and serves as a reasonable boundary for least squares fit.

로봇 그리퍼 및 자력계(102)가 자성 재료(101) 근처를 통과함에 따라 최대 자기장에 도달할 때 그리퍼의 위치가 기록된다. 그리퍼를 이 위치로 이동시키면 자성 재료(101)가 그 축의 중심에 놓이게 될 것이다. 다른 방향으로 프로세스를 반복함으로써, 로봇 그리퍼는 자성 재료(101) 위에 중심을 둘 수 있다.The position of the gripper is recorded when the robot gripper and magnetometer 102 reach a maximum magnetic field as they pass near the magnetic material 101 . Moving the gripper to this position will center the magnetic material 101 on its axis. By repeating the process in the other direction, the robotic gripper can be centered over the magnetic material 101 .

혹은, 보완적인 시력 기반 시스템은 자성 재료(101)가 부착된 물체의 근접부에서 로봇 그리퍼를 국소화할 수 있지만 스캔 방향에 관한 정보는 갖지 않을 것이다. 이 상황에서, 임의의 방향으로의 단거리 스캔이 수행될 수 있고 비선형 최소 제곱 최적화를 통해 1D 가우시안을 데이터 점에 맞출 수 있다. 그런 다음에 제2 축에 대해 프로세스가 반복될 수 있다. 이들 단계를 수행하면 로봇 그리퍼가 가우시안의 추정 피크에 위치될 수 있다. 일단 자력계(102)를 포함하는 로봇 그리퍼가 중심 축에 국소화되면, 맥스웰 방정식이 자성 재료(101)의 표면의 위치를 추정하는데 사용될 수 있다. 그런 다음에 로봇 그리퍼는 자성 재료(101)의 표면에 접근하도록 점진적으로 이동될 수 있다.Alternatively, the complementary vision-based system may localize the robotic gripper in the proximity of the object to which the magnetic material 101 is attached but will have no information about the scan direction. In this situation, a short-range scan in any direction can be performed and a 1D Gaussian can be fitted to the data points through non-linear least squares optimization. The process can then be repeated for the second axis. By performing these steps, the robotic gripper can be positioned at the estimated peak of the Gaussian. Once the robotic gripper including the magnetometer 102 is localized to the central axis, Maxwell's equations can be used to estimate the position of the surface of the magnetic material 101 . The robotic gripper can then be moved progressively to approach the surface of the magnetic material 101 .

추가적인 실시예에서, 시스템은 복합 자성 재료(101)의 변형 또는 변형들을 감지하기 위해 임의의 수의 위치에서 다수의 자력계를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 자성 입자(104)는 네온(Ne), 철(Fe), 붕소(B), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 코발트(Co), 및 이들의 임의의 적합한 조합과 같은 재료를 포함할 수 있다. 또한, 일부 비제한적인 실시예에서, 복수의 자성 입자는 10-7.5 미터 내지 10-4.5 미터의 범위의 치수를 갖는 입자와 0.5㎛(마이크로미터) 내지 0.5 mm(밀리미터)의 범위의 치수를 갖는 입자 및/또는 700 nm(나노미터) 이하의 치수를 갖는 입자를 포함하는 나노 입자를 포함하는 마이크로-입자를 포함한다.In a further embodiment, the system may include multiple magnetometers at any number of locations to sense a deformation or deformations of the composite magnetic material 101 . In another embodiment, the plurality of magnetic particles 104 comprises neon (Ne), iron (Fe), boron (B), neodymium (Nd), samarium (Sm), cobalt (Co), and any suitable It may include materials such as combinations. Further, in some non-limiting embodiments, the plurality of magnetic particles has a particle having a dimension in the range of 10 -7.5 meters to 10 -4.5 meters and a particle having a dimension in the range of 0.5 μm (micrometers) to 0.5 mm (millimeters). particles and/or micro-particles, including nanoparticles, including particles having dimensions of 700 nm (nanometers) or less.

그들의 특정 형태로 표현되거나 개시된 특징을 수행하기 위한 수단, 또는 개시된 결과를 달성하기 위한 방법 또는 프로세스와 관련하여 적절하게 표현되는 전술한 설명, 또는 다음의 청구범위, 또는 첨부도면에 개시된 특징은 개별적으로 또는 이러한 특징의 임의의 조합으로 그 다양한 형태로 본 발명을 실현하기 위해 활용될 수 있다. 특히, 여기에서 설명된 임의의 실시예의 하나 이상의 특징은 여기에서 설명된 임의의 다른 실시예의 하나 이상의 특징과 결합될 수 있다.The foregoing description, or the following claims, or the features disclosed in the accompanying drawings, which are expressed as appropriate in their particular form or in connection with means for performing the disclosed features, or methods or processes for achieving the disclosed results, are individually Or any combination of these features may be utilized to realize the present invention in its various forms. In particular, one or more features of any embodiment described herein may be combined with one or more features of any other embodiment described herein.

또한, 본 개시내용과 함께 참조에 의해 참조 및/또는 통합된 임의의 하나 이상의 공개된 문서에 개시된 임의의 특징에 대한 보호가 추구될 수 있다.Additionally, protection may be sought for any feature disclosed in any one or more published documents incorporated by reference and/or incorporated by reference with this disclosure.

Claims (20)

센서로서,
자력계; 및
자기장을 갖는 복합 자성 재료를 구비하되,
복합 자성 재료가
변형 가능한 재료; 및
변형 가능한 재료 내에 분산된 복수의 자성 입자를 구비하고,
자력계는 복합 자성 재료의 자기장을 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
As a sensor,
magnetometer; and
Provided with a composite magnetic material having a magnetic field,
composite magnetic material
deformable materials; and
A plurality of magnetic particles dispersed in a deformable material,
and the magnetometer is configured to sense a magnetic field of the composite magnetic material.
제1항에 있어서, 자력계는 복합 자성 재료의 변형에 의해 발생하는 합성 자기장의 변화를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor of claim 1 , wherein the magnetometer is configured to sense a change in the resultant magnetic field caused by deformation of the composite magnetic material.
제1항에 있어서, 변형 물질은 엘라스토머인 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor of claim 1 , wherein the modifying material is an elastomer.
제1항 또는 제2항에 있어서,
자성 재료의 자기장으로부터 떨어져 위치되고 배경 자기장을 감지하도록 구성된 기준 자력계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The method of claim 1 or 2,
and a reference magnetometer positioned away from the magnetic field of the magnetic material and configured to sense the background magnetic field.
제1항에 있어서, 자력계는 복합 자성 재료에 대해 고정된 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor of claim 1 , wherein the magnetometer is positioned in a fixed position relative to the composite magnetic material.
제1항에 있어서, 자력계는 복합 자성 재료의 변형에 응답하여 복합 자성 재료에 대해 실질적으로 고정된 위치에 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor of claim 1 , wherein the magnetometer is configured to maintain a substantially fixed position relative to the composite magnetic material in response to deformation of the composite magnetic material.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복합 자성 재료가 자속과 접촉하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. A sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the composite magnetic material is in contact with the magnetic flux.
제1항에 있어서, 자력계는 3축 자력계인 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor according to claim 1, wherein the magnetometer is a three-axis magnetometer.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 자성 입자는 200 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor according to claim 1 or 2, wherein the plurality of magnetic particles is 200 μm or less.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 자성 입자는 실질적으로 균일한 자기장 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The sensor of claim 1 or 2, wherein the plurality of magnetic particles have a substantially uniform magnetic field orientation.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 자성 입자는 실질적으로 다른 자기장 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The sensor of claim 1 or 2, wherein the plurality of magnetic particles have substantially different magnetic field directions.
제1항에 있어서, 복수의 자성 입자는 변형 가능한 재료에 걸쳐 실질적으로 불균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 센서.
The sensor of claim 1 , wherein the plurality of magnetic particles is substantially non-uniformly distributed throughout the deformable material.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복합 자성 재료는 실질적으로 신축 가능한 것을 특징으로 하는 센서.
3. The sensor of claim 1 or 2, wherein the composite magnetic material is substantially stretchable.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복합 자성 재료는 변형 가능한 재료의 재료 특성을 유지하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The sensor of claim 1 or 2, wherein the composite magnetic material retains the material properties of the deformable material.
제1항 또는 제2항에 있어서,
자력계에 연결된 신축 가능한 자력계 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The method of claim 1 or 2,
A sensor further comprising a telescoping magnetometer circuit connected to the magnetometer.
제15항에 있어서, 신축 가능한 자력계 회로는 복합 자성 재료의 일부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 센서.
16. The sensor of claim 15, wherein the stretchable magnetometer circuit is formed as part of a composite magnetic material.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합 자성 재료의 자기장의 변화가 변형에 반응하여 발생하되, 변형은 상기 복수의 자성 입자의 적어도 하나가 자력계에 대해 위치를 변화시키도록 하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. The magnetic field of the composite magnetic material of claim 1 or 2, wherein a change in the magnetic field of the composite magnetic material occurs in response to deformation, wherein the deformation causes at least one of the plurality of magnetic particles to change position with respect to the magnetometer. sensor.
연자성 재료로 이루어진 물체를 국소화하는 방법으로서,
자성 재료의 측정 가능한 자기장 범위 내에서 자력계를 통과시키는 단계;
자기장의 중심축을 국소화하기 위해 최대 자기장 측정값을 결정하는 단계;
중심축 위에 자력계를 정렬하는 단계;
상기 단계를 반복하여 2차 축을 찾는 단계; 및
측정된 자기장 세기와 자성체 표면에서 계산된 자기장 세기의 차이에 기초하여 물체의 표면과 자력계 사이의 거리를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
A method of localizing an object made of a soft magnetic material, comprising:
passing a magnetometer within a measurable magnetic field range of the magnetic material;
determining a maximum magnetic field measurement to localize a central axis of the magnetic field;
aligning the magnetometer on the central axis;
repeating the above steps to find a secondary axis; and
and determining a distance between the magnetometer and the surface of the object based on a difference between the measured magnetic field strength and the calculated magnetic field strength at the magnetic body surface.
위치 또는 접촉력을 결정하는 소프트 촉각 센서를 사용하는 방법으로서,
자력계로부터 엘라스토머 및 엘라스토머 내에 분산된 복수의 자성 입자를 포함하는 자성 재료로부터 발생하는 자기장의 측정값을 포함하는 신호를 수신하는 단계;
신호를 교정하는 단계;
신호를 변환하는 단계;
신호를 필터링하는 단계;
신경망으로의 입력을 위해 신호의 규모를 조정하는 단계; 및
신경망을 사용하여 위치 또는 접촉력을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
A method of using a soft tactile sensor to determine a position or contact force, comprising:
receiving a signal from the magnetometer comprising a measurement value of a magnetic field generated from a magnetic material comprising an elastomer and a plurality of magnetic particles dispersed within the elastomer;
calibrating the signal;
converting the signal;
filtering the signal;
scaling the signal for input to the neural network; and
A method comprising the step of obtaining a position or contact force using a neural network.
제19항에 있어서, 상기 신호를 필터링하는 단계는,
기준 자력계의 배경 신호를 이용하여 신호에서 움직임과 주변 소음을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 19, wherein filtering the signal comprises:
and removing motion and ambient noise from the signal using the background signal of the reference magnetometer.
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